原电池原理及其应用

【基础知识精讲】装詈特点：化学能转化趟能严两个活泼性不同的电极 形成条件彳②电解质涪液 〔0)形成闭合回路先色沿寻绞悔必育电矗产韭加 Se-Zn^T ISW.反网」匝K析氢腐、蚀L 吸氧腐蚀「斑变金属的內部组织结构②在金属裹面霍盖保护层I ③电化学保护法以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理：负极发生氧化反应，正极发生还原反应 紧抓这个基本原理去解决各种类型的原电池问题^【重点难点解析】重点：①原电池原理；②金属的腐蚀原理与防护•难点：金属的电化学腐蚀与防护•1. 正确判定原电池2. 原电池正极和负极的确定 (1) 由两极的相对活泼性确定•(2) 由电极现象确定.通常情况下，在原电池中某一电极若不断溶解或质量不断减少，该电极发生氧化反应， 此为原电池的负极； 若原电池中某一电极上有气体生成， 电极的质量不断增加或不变，该电极发生还原反应，此为原电池的正极3. 原电池工作原理：以 Cu-Zn 原电池为例.学科：化学教学内容：原电池原理及其应用r 金属腐蚀L 化学腐蚀电化腐蚀匕钢铁腐蚀'主曼应用〈I 防护方法T厂沪2e-HjA千ti rJ i负极（锌板）：Zn-2e=Zn 2+被氧化，锌板不断溶解； 正极（铜板）：2H+2e=Hf 被还原，表面置出气泡. 电子流动方向：负极（Zn ）经导线正极（Cu ）.Cu-Zn 原电池发生的总反应跟锌和酸的反应是一致的，但电子却经外接导线发生迁移， 形成持续的电流，使化学能转化为电能•构成原电池的反应必须能自发地进行氧化还原反应 •从理论上讲，任何一个氧化还原反应都可设计成原电池， 只不过要求氧化反应和还原反应必须在两极上分别进行，使与两极连接的导线里，产生持续电流 • 【难题巧解点拨】例1 ：把a,b,c,d4 块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池 .若a,b 相连时， a 为负极；c,d 相连时，d 上产生大量气泡；a ，c 相连时，电流由c 经导线流向a ； b 、d 相 连时，电子由d 经导线流向b ，则此4种金属的活动性由强到弱的顺序为 （）A.a > b > c >dB.a > c > d > bC.c >a > b > dD.b > d > c > a分析：根据原电池原理，较活泼的金属为负极，被氧化溶解；相对不活泼的金属为正极，冒气泡或析出金属•电子由负极经外电路流向正极，电流方向与电子方向相反等进行分析：根据构成原电池的条件必须同时满足： （1）要有活泼性不同的两个电极 .（2）要有电解质溶液.（3）要有导线，能形成闭合回路•用此条件进行判断：在 A 中两个电极的金属相同，不符合条件，在 （D ）中没有电解质溶液，乙醇是非电解质.故只有B C 符合条件答案：BC例3:银锌电池是广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可表示为:2Ag+Z n(0H)2 三Ag 2O+Zn+2HO此电池放电时，负极上发生反应的物质是()A.AgB.Z n(0H)2C.Ag 2OD.Z n分析：根据原电池工作原理，负极上发生氧化反应 .元素化合价会升高，所以在放电过程中被氧化的是 Zn,即Zn 为负极.答案：为D【命题趋势分析】常考知识点：1. 原电池的概念、工作原理2. 电极反应和电池反应乙醉EA山嵐礙液C3.原电池原理的应用4.结合物理的电学、工农业生产【典型热点考题】1•将锌片和铜片用导线连接置于同一稀HaSQ溶液中，下列各叙述正确的是（）A.正极附近so4「浓度逐渐增大B.负极附近so4「的浓度逐渐减小C.负极附近so4_的浓度逐渐增大D.正负极附近so4--的浓度基本不变本题参考答案：D2.锌与lOOmllmol • L-1盐酸反应的实验中，若设想向溶液中加入少量的①醋酸钠，或②溴化铜，或③醋酸铜（均为可溶性），并测定生成Hb的速率（ml • min-1），预计三种方案的速率大小是（）A.①'③〉②B.③'②〉①C.②'③〉①D.①、②〉③本题参考答案：C3.如下图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡•小心地从烧杯中央滴入CuSO溶液.（1）片刻后可观察到的现象是（）A.铁圈和银圈左右摇摆不定B.保持平衡状态不变C.铁圈向下倾斜D.银圈向下倾斜（2）__________________________________________________________________ 产生上述现象的原因是___________________________________________________________________ ..,2+本题参考答案：（1）D （2）加CuSO溶液后，构成Fe-Ag原电池，Fe溶解、减轻，Cu在银圈上得电子，沉积在其上，增重.4.如图所示，在大试管里放入一段光亮无锈的弯成螺旋状的铁丝，把试管倒插入水中，把这个装置这样放置约一周后，观察到铁丝发生的变化是_________________________________ ，原因是__________________________ .试管里的水面会上升，最终上升高约为原因是11 本题参考答案：铁丝表面形成一片红褐色铁锈；发生吸氧腐蚀；试管体积的丄;铁和氧5气反应，时间足够时铁消耗空气中全部Q,在空气中Q2约占总体积的丄.55.熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li z CO和N&CO的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO的混合气为正极助燃气，制得在650 C下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式:负极反应式：2CQ+2CQ 3" -4e 宀4CQ 正极反应式： ;总电池反应式：本题参考答案:Q+2CQ+4e ——2 CQ 亍;2CQ+(^= 2CQ1. 关于铜、锌和稀 H 2SQ 构成的原电池的说法正确的是 （）A.锌是正极，铜是负极 B.H +在溶液里流向铜片C.电流由锌流向铜D.电子经外电路由锌流向铜2. 铁钉和炭棒用导线连接后，浸入到 O.OImol • L -1NaCI 溶液中，可能发生的是（）C.Fe 、Zn 、CuSQ 溶液D.Fe 、C 、Fe z （SQ ） 3溶液 4.实验中欲制得H 2,最好的方法是（） C.纯锌与稀盐酸 D.粗锌（含铜杂质）与稀H 2SQ 5. 钢铁在潮湿的空气中发生电化腐蚀时，正极发生的主要反应是 （）A.Fe-2e=Fe 2+B.2H 2Q+Q+4e=4OH-+ .C. 4OH-4e=2H 2O+QD.2H +2e=f f6. 埋在地下的铸铁输油管道，在下列各种情况下，腐蚀最慢的是 （）A. 在含铁元素较多的酸性土壤中B. 在潮湿疏松透气的土壤中C. 在干燥致密不透气的土壤中D. 在含碳粒较多的潮湿透气中性土壤中7. 铜铁在锈蚀过程中，下列五种变化可能发生的是（）①Fe 由+2价转化为+3价 ②氧气被还原 ③产生H ④Fe （QH ）3失水形成Fe 2Q 、HQ ⑤ 杂质碳被氧化而除去.A.①②B.③④C.①②③④D.①②③④⑤8.有a,b,c,d 四种金属，将a,b 用导线连结起来，浸入电解质溶液中，b 不易腐蚀；将a,d 分别投入等浓度的盐酸中， d 比a 反应剧烈；将铜浸入 b 的盐溶液中，无明显变化；将铜浸入c 的盐溶液里，有金属 c 析出.据此推知它们的活动性由强到弱的顺序为（）A. dcabB.dabcC.dbacD.badc9.据报道，锌电池可能取代目前广泛使A.炭棒上有H 2析出B. 炭棒附近产生QHC.炭棒上有Q 析出D.铁钉被氧化3.下列四组原电池，其中放电后, 电解质溶液质量增加, 且在正极有单质生成的是 A.Cu 、Ag 、AgNQ 溶液 B.Zn 、Cu 稀 HSQ A.纯锌与稀H 2SQ B.纯锌和浓H 2SQ 【同步达纲练用的铅蓄电池，因为锌电池的容量更大，而且没有污染，其总反应式为：2Zn+C^= 2Z nQ所用原料为锌粒、电解液和空气.则下列叙述中，正确的是（）A.锌为正极，空气进入负极反应B.负极反应为Zn-2e^= Zn2+C.正极发生氧化反应D.电解液肯定不是强酸10.燃料电池是燃料（如Hz、CO CH4等）跟氧气或空气起反应，将化学能转变为电能的装置，电解液为强碱溶液.（）下列关于甲烷燃料电池的说法中，正确的是（）A.负极反应为：CH+10OH-8e= CO：「+7HHOB.负极反应为：Q+2HO+4^= 4OHC.随着放电进行，溶液中的阴离子向负极移动D.随着放电进行，溶液的PH不变.11.常用的钮扣电池为银锌电池，它分别以锌和氧化银为电极•放电时锌极上的电极反应是：Zn+2OH_2e^= Zn（OH）2,氧化银极上的反应是：Ag2O+HO+2^= 2Ag+2OH,下列判断中，正确的是（）A.锌是负极，发生氧化反应，氧化银是正极，发生还原反应B.锌是正极，发生氧化反应，氧化银是负极，发生还原反应C.锌是负极，发生还原反应，氧化银是正极，发生氧化反应D.锌是正极，发生还原反应，氧化银是负极，发生氧化反应12.以下现象与电化腐蚀无关的是（）A.黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿B.生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生锈D.银质奖牌久置后表面变暗13.阿波罗宇宙飞船上使用的是氢氧燃料电池，其电池反应式为：2H2+C^= 2H2O,电解液为KOH溶液，反应保持在较高温度使水蒸发，下列叙述中正确的是（）A.工作时，电解质溶液的PH逐渐增大B.工作时，能见到浅蓝色火焰C.工作时，H2为正极，Q为负极D.电极反应式为：负极：2H+4O44e=4H2O正极：Q+2HO+4^= 4OH14.铅蓄电池的两极分别为Pb、PbQ，电解液为H2SQ ,工作时的反应为：Pb+PbO+2H2SQ=2PbSO+2H2O,下列结论正确的是（）A.Pb为正极被氧化B.PbQ为负极被还原2_C. SO4"只向PbO处移动D.电解液密度不断减小E.溶液的PH不断减小15.锌锰干电池的正极是石墨炭棒，它放电时的总反应可表示为：Zn（固）+2MnQ+2NH4^=Zn2++MnO3（固）+2NH3+HzO,在电池放电时，正极表面发生反应的物质是（）A.ZnB.石墨C.MnQ和NH4D.Z门2+和NH16.锂电池是一种新型高能电池，它以轻质、高能而受到普遍重视，目前已研制成功了多种锂电池.某种锂电池的总反应可表示为：Li+MnQ=LiMnQ,若该电池提供0.5C电量（1mol电子的电量为96500C），则消耗正极材料的质量（其它损失不计）约为（）5A.3.63 X 10 gB.3.5gC. 4.51 X 10-4gD.43.5g17.纯锌跟稀HbSQ反应速率很小，为了加快锌的溶解和放出Hb的速率，并且使产生H2的量不变，当稀H2SQ4过量时，可向其中加少量（）A.CuSQ溶液B.CuS固体C.铜D.镁条18.下列关于实验现象的描述不正确的是（）A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀H2SQ中，铜片表面出现气泡B.把铜片插入FeCb溶液中，在铜片表面出现一层铁C.把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴CuCl2溶液，气泡放出速率加快D.把铜片和铝片连接一起浸入浓HNQ中，铝片表面有气泡产生.【素质优化训练】1.铅蓄电池（原电池）工作时，总反应为Pb+PbG+2HSQ=2PbSG+2H2O,由此可以判断：⑴ 原电池的电极材料：正极为______________ ，负极为（2）_______________________________ 两极的电极反应式：正极为_______，负极为.（3）工作一段时间后，蓄电池里电解溶液的PH （填“变大” “变小”或“不变”）.2.1991年我国首创以铝、空气和海水电池为能源的新型海水航标灯•它以海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中数分钟，就发出耀眼的闪光，其能量比干电池高20〜50倍.根据以上叙述，填写这种电池两极的电极反应式：（1）_________________________________________________ 负极：.（2）_________________________________________________ 正极：.3.称取三份锌，分盛三支试管，在试管甲里加入PH=3的盐酸50ml，在试管乙里加入PH=3 的醋酸50ml，在试管丙里加入PH=3的醋酸50ml及少量铜粉，塞上导管塞子，定时测定生成H2的体积.若反应终了时，生成H2一样多，且锌没有剩余.（1）用“〉” “、”“=”或“v”回答以下问题：①参加反应的锌的质量为：②反应完毕，需反应时间的多少为：⑵简答：①反应所需时间最长的一种酸的原因是：②乙、丙反应所需时间是否相等？答：其原因是：4.如何利用Cu+2FeCb=2FeCl2+CuCl2设计一个原电池，画出装置图，写出电极的反应式•5.电子表所用电池的两极材料为Zn和AgO,电解质溶液为KOH溶液，其电极反应是：Zn+2OR2e=ZnO +HO Ag 2O+HO+2e=Ag+2OH总反应式为：AgzO+Z n=2Ag+Z nO下列判断正确的是（）A.Zn为正极，AgzO为负极B.Zn为负极，A°O为正极C.原电池工作时，负极区溶液的PH减小D.原电池工作时，负极区溶液的PH增大6.由Cu片，Zn片和300ml稀HbSQ组成的原电池中，若锌片只发生电化腐蚀，则当铜片上共放出3.36L（标况）的气体时，H2SQ恰好用完，产生这些气体消耗锌_g ,有个电子通过了导线，原稀fSQ的物质的量浓度为mol • L-1.7•美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源，其构造如下图所示：两个电极均由多孔性碳制成，通入的气体由孔隙中逸出，并在电极表面放电a bKOHffift(1)a 是____ 极，b是 ____ 极，电极反应式分别为______________ , ______ . ____(2)飞船上宇航员的生活用水由燃料电池提供.已知这种电池发1度电时能生成350g水，试计算能量转化率• [ 2f(g)+O 2(g)=2H 2O(I)+572KJ :.(3)这种电池的输出电压为 1.5V.要使标有1.5V , 1.5W的小灯泡连续发光0.5h ,应消耗标况下H2多少升？【生活实际运用】1.电工操作中规定，不能把铜线和铝线拧在一起连接线路，这是因为2.银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成了Ag2S.有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器侵入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失.试回答：在此原电池反应中，负极发生的反应为____________ ;正极发生的反应为______________ ;反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原电池总反应方程式为： ________________________________3.在一个盛有AgNO溶液的烧杯中，放入质量相同的锌片和银片.两块金属片与一个小灯泡相连，经过一段时间后，从溶液中取出金属片，这时发现二者的质量有相同的变化，试确定所形成原电池的有效功率(完成电流功对理论可能功之比).【知识验证实验】1.自制热敷袋原理：铁粉在水存在下能与空气里的Q反应，放出热量4Fe+2H 20+3(^= 2Fe2Q HO+Q准备：取一只约80x 120mm勺自封式塑料袋，另用布缝制一只略大于塑料袋的布袋.操作：(1)用大头针在塑料袋上扎几十个针眼(袋的两层同时扎穿).(2)称取15g小颗粒状活性炭，40g还原铁粉，5g细木屑，都放在一只烧杯中，再加入15mI15 %食盐水，用玻璃棒搅拌均匀.(3)把烧杯里的混合物全部加入扎过孔的塑料袋内，封上袋口，把这塑料袋放入自制的布袋中，扌L住袋口.(4)反复搓揉这袋5-8分钟，能感觉布袋的温度明显上升，可用热敷.2.根据可逆反应：AsO\+2l-+2H+^^AsO%+l2+H20,设计出如下的实验装置，A烧杯中装有NaAsC4和Na^AsO溶液，B烧杯中装有12和KI溶液.两烧杯中用一倒置的装有饱和KI 溶液的U形管相连，该装置称为盐桥.其作用是避免两烧杯中的溶液相混合，又能使两烧杯中的溶液因连通而导电.C1、C2棒为惰性电极.现进行如下操作：(1)向A溶液中逐滴加入浓盐酸，发现电流计的指针发生偏转(2)若改向B溶液中滴加40%的NaOH溶液，发现电流计的指针向相反方向偏转•试回答下列问题：①两次操作中，电流计的指针偏转方向为什么相反？试用化学平衡原理解释之_______②(1)操作过程中，C i棒上发生的反应是 ______________；(2)操作过程中，C z棒上发生的反应是本题参考答案：①由于］H+］的变化，使化学平衡向不同方向移动，发生不同方向的反应，其结果是电子转移方向不同•②2l--2e^=l z；AsO33+HO-2^= AsO4「+2H+【知识探究学习】1.原电池课文里所讲的原电池，是为了便于说明原电池化学原理的一种最简单的装置•如果用它作电源，不但效率低，而且时间稍长，电流就不断减弱，因此不适合于实际应用•这是什么原因呢？主要是由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通•这种作用称为极化作用•为了避免发生这种现象，设计了如下图的原电池装置•ZfiSO* CuSO4在两个烧杯中分别放入锌片和锌盐溶液、铜片和铜盐溶液，将两个烧杯中的溶液用一个装满电解质溶液的盐桥(如充满KCI饱和溶液和琼脂制成的胶冻)连接起来，再用导线将锌片和铜片联接，并在导线中串联一个电流表，就可以观察到下面的现象：(1)电流表指针发生偏转，根据指针偏转方向，可以判断出锌片为负极、铜片为正极•(2)铜片上有铜析出，锌片则被溶解•(3)取出盐桥，指针回到零点，说明盐桥起了沟通电路的作用发生上述现象的原因是由于锌比铜活泼，容易失去电子变成Zn2+®入溶液，电子通过导线流向铜片，硫酸铜溶液中的cf从铜片上获得电子变成铜原子沉积在铜片上•由于电子从锌片流到铜片，所以锌片上发生氧化反应，铜片上发生还原反应.- 2+Zn-2e -=Zn2+2+ -cu 2++2e-=cu总反应式：cu2++Zn=cu+Zn2+一定时间后，溶液会因带电离子的积累（ZnSO4溶液中的Zn2+离子过多，CuSQ溶液中的SO 4 离子过多）而阻碍电子的转移. 但有盐桥存在，允许溶液中离子迁移，以中和过剩的电荷，起了沟通电路的作用，使传递电子的反应能继续进行.于是，锌和CuSO4 的氧化还原反应的化学能转变成外电路上电子流动的电能.从分析铜- 锌原电池的组成可以看出，原电池是由两个半电池组成的. 锌和锌盐溶液组成一个半电池，铜和铜盐溶液组成另一个半电池. 组成半电池的导体叫电极，失去电子的电极为负极，得到电子的电极为正极. 不参加电极反应的电极叫惰性电极，如铜电极.上述原电池的装置可用符号来表示：Zn | ZnSQ II CuSQ\ Cu负极盐桥正极每个半电池都由两类物质组成，一类是可作还原剂的物质，如锌和铜，称为还原型物质. 另一类是可作氧化剂的物质，如ZnSQ和CuSQ,称为氧化型物质•相对应的氧化型物质和还原型物质组成氧化还原电对，常用如下符号表示：Zn2+/Zn,Cu2+/Cu.不同氧化态的同一元素的离子或单质等也可构成氧化还原电对，如3+ 2+ - -Fe /Fe、Cl 2/Cl -、Q/QH等•参考答案:【同步达纲练习】1.BD2.BD3.BC4.D5.B6.C7.A8.B9.BD 10.AC 11.A 12.D 13.D 14.D 15.C 16.C 17.C 18.B【素质优化训练】1.(1)PbO 2 Pb(2)PbQ2+2e+SQ42--+4H+=PbSQ4+2H2Q2--Pb-2e+SQ42--=PbSQ4 (3) 变大2.(1)AI-3e=AI(2)2H 20+04e=40H3.(1)①甲=乙=丙②甲＞乙＞丙(2)①随着反应的进行，盐酸里］H+］减小得最多，反应速率减小最快，时间最长.②不相等，丙中形成了铜锌原电池，加速了锌的反应，丙中反应较乙中快4.用铜和炭棒作电极，FeCl3溶液为电解质溶液•2+电极反应式(-):Cu-2e=Cu3+ 2+(+) : 2Fe +2e=2Fe5.BC236975、1.806 X 10、0.57.(1)负；正；2H 2+4OH_4e4H2O;Q+2F b O+4^^^= 4OH(2)64.7% (3)0.325【生活实际运用】1.在潮湿的空气中，铜、铝线接触能形成原电池，使铝很快被腐蚀2.【答案】2AI-6e=2AI 3+; 3Ag2S+6e=6Ag+3S- 3Ag2S+2AI+6H2O=6Ag+2AI(OH)3 J +3HS f3.【解答】设电化学过程和化学过程共溶解锌的物质的量为1mol，电化学过程溶解锌的物质的量为xmol，则化学过程溶解锌的物质的量为(1-x)moI电化学过程：负极：Zn-2e^=Zn2+正极：2Ag++2^^= 2Agxmol2xmol 2xmol 2xmol( 沉积在银上)化学过程：+ 2+Zn+2Ag^^Z n +2Ag(1-x)moI 2(1-x)moI( 沉积在锌片上)两极增重相等，则有：108 X 2x=108 X 2(1-x)-65 X 1 x=0.35(mol)0 35原电池的有效功率为：X 100 % =35%。